Элементарной считается частица, размеры которой недоступны измерению. Основным свойством таких частиц является их способность к взаимопревращению. Элементарные частицы классифицируются по типу взаимодействия, в которое они вступают.
Типы элементарных частиц
По типу взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие типы.
Фотоны
Фотон — элементарная частица, квант света в виде электромагнитных волн. Во Вселенной Ф.является самой распространенной частицей. На один нуклон приходится не менее 20 млрд. фотонов. Электрический заряд Ф. равен нулю. Эта частица находится в 2-х спиновых состояниях и способна существовать при движении со скоростью света.
Ф. в электродинамике описывается как электромагнитная волна с поляризацией. Квантовая электродинамика описывает данную частицу как калибровочный бозон, который обеспечивает электромагнитное взаимодействие между частицами. С точки зрения квантовой механики Ф.свойственен дуализм: он проявляет свойства волны и частицы. В свою очередь, современная наука рассматривает Ф. как фундаментальную частицу, которая не обладает размерами и строением.
Нейтроны
Под нейтроном понимают тяжелую частицу, которая не имеет электрического заряда. Она принадлежит к классу барионов. Н. –– один из основных компонентов атомных ядер. Вместе с протонами нейтроны удерживаются с помощью силы, называемой ядерной. Н. имеют нейтральный заряд. Несмотря на то что они не оказывают влияния на заряд атома, Н. все-таки обладают свойствами, влияющими на атом. Данная элементарная частица на 0,2% больше протона, вместе с которым составляют 99 % всей массы атома.
Свободные Н. в природе возникают в ядерных реакциях, которые вызваны космическими лучами, α-частицами, а также и в результате вынужденного или спонтанного деления тяжелых ядер. Искусственные источники Н. –– ядерные взрывы, реакторы, ускорители электронов и протонов с мишенями из тяжелых элементов.
Так как Н. не имеет электрического заряда, регистрация его с помощью ионизации атомов вещества невозможна. Для обнаружения Н. используются два метода: рассеяние на ядрах вещества с дальнейшей регистрацией ядра или захват атомными ядрами с последующим излучением ядром α-частицы.
Протоны
Протон — элементарная частица, которая входят в состав атомных ядер. Впервые название частице было дано в 1920 году Э. Резерфордом. Масса П. в 1,8 тыс. раз больше массы электрона. Внутренняя четность положительна. По модулю электрический заряд равен заряду электрона. П. относится к адронам и обладает способностью ко всем взаимодействиям — гравитационному, электромагнитному, сильному и слабому.
П. имеет определенные размеры и структуру. Он состоит из таких частиц, как глюоны и кварки. П.стабилен, в ходе многочисленных исследований не было обнаружено доказательств его распада. Ок. 99% массы П. обусловлено энергией движения глюонов и кварков.
Теоретической основой для описания характеристик П. является квантовая хромодинамика. В свободном состоянии эта частица наблюдается в космических лучах и при протонной радиоактивности некоторых ядер. Пучки ускоренных П. –– один из базовых инструментов экспериментальной физики элементарных частиц.
Мюоны
Мюон — часть семейства фермионов, неустойчивая частица, которая имеет отрицательный электрический заряд. М. не состоит из мелких частиц. Он имеет античастицу с квантовыми числами разных знаков, но с равным спином и массой.
Иногда М. называют мю-мезоном, хотя в современном представлении физики он таковым не является. Масса частицы в 207 раз больше массы электрона. На нашей планете мюоны были обнаружены в космических лучах, они образуются в результате распада пионов. Пионы возникают в верхних слоях атмосферы и имеют весьма короткое время распада. М. космических лучей имеют скорости, которые близки к скорости света. Время их существования ничтожно мало — 2,2 микросекунды. М. практически всегда распадаются в электрон, мюонное нейтрино и электронное антинейтрино.
Ионы
Ион представляет собой молекулу или атом, имеющий электрический заряд. Если частица имеет отрицательный заряд, она называется анионом, положительный –– катионом. И. встречаются во всех состояниях вещества: в кристаллах, жидкостях, газах и даже в плазме.
Впервые название «ион» появилось в далеком 1834 году. М.Фарадей, изучая действие электротока на водные растворы солей и кислот, сделал предположение, что электропроводность данных растворов вызвана движением ионов. И. вступали в реакции с молекулами, атомами и между собой. Простые ионы состоят из электронов и одного атомного ядра. Само ядро атома состоит из нейтронов и протонов, которые несут почти всю массу И.